(57)【要約】    【課題】  接合線の３次元形状を正確に指定することができる摩擦攪拌装置、そのプローブの制御方法、制御プログラム、そのプログラムを記録した記録媒体、及び接合体の製造方法を提供すること。    【解決手段】  プローブと、プローブの駆動手段と、制御手段とを備えた摩擦攪拌接合装置であって、制御手段が、ワークの接合線上の複数の測定点（Ｐ1〜Ｐn）の位置ベクトル（Ｐ1〜Ｐn）及び法線ベクトルを用い、補間によって、隣接する２つの測定点の間の接合線に対応する補間位置ベクトル、補間接線ベクトル及び補間法線ベクトルを計算し、補間位置ベクトル、補間接線ベクトル、補間法線ベクトル及び所定の前進角を用いて、プローブの姿勢を決定する制御データを計算し、この制御データを用いて駆動手段を制御して、プローブの姿勢を制御する。【選択図】    図３
2006218531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブと、該プローブの駆動手段と、制御手段とを備えた摩擦攪拌接合装置であって、
前記制御手段が、
接合対象物の接合線上の複数の測定点の位置ベクトル及び法線ベクトルを用い、補間によって、隣接する２つの前記測定点の間の接合線に対応する補間位置ベクトル、補間接線ベクトル及び補間法線ベクトルを計算し、
前記補間位置ベクトル、前記補間接線ベクトル、前記補間法線ベクトル及び所定の前進角を用いて、前記プローブの姿勢を決定する制御データを計算し、
該制御データを用いて前記駆動手段を制御して、前記プローブの姿勢を制御することを特徴とする摩擦攪拌接合装置。
【請求項２】
前測定点の前記位置ベクトル及び前記法線ベクトルが、前記摩擦攪拌接合装置の第１の座標系と異なる第２の座標系を有する測定手段によって測定されたデータであり、
前記制御データが、前記第２の座標系におけるデータであり、
前記測定手段が、前記第１の座標系における座標データが既知である、３点以上が同一直線上に並ばないように決定された４点の各々の位置を測定し、
前記制御手段が、前記測定手段によって得られた前記４点の位置データ、及び前記４点の既知の前記座標データを用い、前記第２の座標系から前記第１の座標系への座標変換パラメータを求め、
前記制御手段が、前記座標変換パラメータを用いて、前記制御データを前記第１の座標系でのデータに変換することを特徴とする請求項１に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項３】
前記補間位置ベクトルが、所定の境界条件で、前記位置ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算され、
前記測定点の接線ベクトルが、前記位置ベクトルのスプライン補間の過程で求められ、
前記補間接線ベクトルが、所定の境界条件で、前記接線ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算され、
前記法線ベクトルが、前記測定点の近傍の、前記測定点を挟む前記接合線上の２点及び前記接合線外の１点により形成される平面に垂直なベクトルであり、
前記補間法線ベクトルが、所定の境界条件で、前記法線ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算されることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項４】
前記制御データが、
前記プローブの先端の位置を示す前記補間位置ベクトルと、
前記補間接線ベクトル及び前記法線ベクトルで形成される平面内の前記補間法線ベクトルから、前記前進角だけ傾斜した方向を示すデータとであることを特徴とする請求項１〜３に記載の摩擦攪拌接合装置。
【請求項５】
プローブと、該プローブの駆動手段と、制御手段とを備えた摩擦攪拌接合装置の前記プローブの制御方法であって、
前記制御手段が、接合対象物の接合線上の複数の測定点の位置ベクトル及び法線ベクトルを用い、補間によって、隣接する２つの前記測定点の間の接合線に対応する補間位置ベクトル、補間接線ベクトル及び補間法線ベクトルを計算する第１ステップと、
前記制御手段が、前記補間位置ベクトル、前記補間接線ベクトル、前記補間法線ベクトル及び所定の前進角を用いて、前記プローブの姿勢を決定する制御データを計算する第２ステップと、
前記制御手段が、前記制御データを用いて前記駆動手段を制御して、前記プローブの姿勢を制御する第３ステップとを含むことを特徴とする摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法。
【請求項６】
前測定点の前記位置ベクトル及び前記法線ベクトルが、前記摩擦攪拌接合装置の第１の座標系と異なる第２の座標系を有する測定手段によって測定されたデータであり、
前記制御データが、前記第２の座標系におけるデータであり、
前記測定手段が、前記第１の座標系における座標データが既知である、３点以上が同一直線上に並ばないように決定された４点の各々の位置を測定する第４ステップと、
前記制御手段が、前記測定手段によって得られた前記４点の位置データ、及び前記４点の既知の前記座標データを用い、前記第２の座標系から前記第１の座標系への座標変換パラメータを求める第５ステップと、
前記制御手段が、前記座標変換パラメータを用いて、前記制御データを前記第１の座標系でのデータに変換する第６ステップとをさらに含み、
前記第６ステップが、前記第２ステップ及び前記第３ステップの間に実行されることを特徴とする請求項５に記載の摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法。
【請求項７】
前記補間位置ベクトルが、所定の境界条件で、前記位置ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算され、
前記測定点の接線ベクトルが、前記位置ベクトルのスプライン補間の過程で求められ、
前記補間接線ベクトルが、所定の境界条件で、前記接線ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算され、
前記法線ベクトルが、前記測定点の近傍の、前記測定点を挟む前記接合線上の２点及び接合線外の１点により形成される平面に垂直なベクトルであり、
前記補間法線ベクトルが、所定の境界条件で、前記法線ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算されることを特徴とする請求項５又は６に記載の摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法。
【請求項８】
前記制御データが、
前記プローブの先端の位置を示す前記補間位置ベクトルと、
前記補間接線ベクトル及び前記法線ベクトルで形成される平面内の前記補間法線ベクトルから、前記前進角だけ傾斜した方向を示すデータとであることを特徴とする請求項５〜７に記載の摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法。
【請求項９】
プローブと、該プローブの駆動手段と、制御手段とを備えた摩擦攪拌接合装置を用いた接合体の製造方法であって、
請求項５〜８に記載の制御方法で前記プローブの姿勢を制御し、接合線に沿って摩擦攪拌接合を行うことを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項１０】
プローブと、該プローブの駆動手段と、制御手段とを備えた摩擦攪拌接合装置において、前記制御手段に、
接合対象物の接合線上の複数の測定点の位置ベクトル及び法線ベクトルを用い、補間によって、隣接する２つの前記測定点の間の接合線に対応する補間位置ベクトル、補間接線ベクトル及び補間法線ベクトルを計算する機能と、
前記補間位置ベクトル、前記補間接線ベクトル、前記補間法線ベクトル及び所定の前進角を用いて、前記プローブの姿勢を決定する制御データを計算する機能と、
前記制御データを用いて前記駆動手段を制御して、前記プローブの姿勢を制御する機能とを実現させるための摩擦攪拌接合装置のプローブの制御プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摩擦攪拌装置及びそのプローブの制御方法に関し、特に、摩擦攪拌装置の座標系と座標測定装置（以下、測定装置と記す）の座標系とを整合させ、摩擦攪拌装置のプローブを正確に制御することができる摩擦攪拌装置、そのプローブの制御方法、そのプローブの制御プログラム及び接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物の製造においては、複数の構成部品を、溶接などによって相互に接合して一体化する場合が多い。また近年では、接合対象物（以下、ワークとも記す）は、ＣＡＤデータを元に種々の機械工作装置（以下、加工装置と記す）を用いて製作されることが多い。そして、製作を完了した接合対象物を加工装置から取り外し、接合装置の載物台に取り付けて接合を行う。
【０００３】
接合方法に関しては、固相接合法として摩擦攪拌接合法（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ  Ｓｔｉｒ  Ｗｅｌｄｉｎｇ、以下ＦＳＷと記す）が注目されている。ＦＳＷの原理は、下記特許文献１に開示されているように、先端部の端面（押圧面）の中央に突起部（以下、ピンと記す）を有する円筒棒（以下、プローブと記す）を回転させながら、金属製の被接合材の突き合わされた部分にピンを侵入させ、接合方向に進行させる。プローブ端部のピン周囲の押圧面は、ピンが部材に侵入したとき部材が切削状態となって外部に排出されるの防止すると共に、部材表面から摩擦熱を与える役目を果たしている。プローブの回転によって被接合材との間に摩擦熱が発生し、接触点の材料を急速に加熱し、材料の機械的強度を低下させ、押圧面とピンの周りの金属に高温の塑性化層を形成する。塑性化した金属製部材は、ピンの進行方向前側で潰れ、機械的攪拌とピンの形状と回転方向による鍛造作用によって後側へ移動する。その結果、回転するプローブが進行するに従って、その摩擦熱でプローブの進行方向前側の接合部を加熱し、軟化した状態を作り出す。その結果、酸化膜を破壊し、潰れた金属を攪拌し、プローブの後側で再び結合し、金属を冷却して固体状の溶着が形成される。ここで、接合部の健全性を確保するには、プローブの回転軸はプローブの移動方向に対して所定の角度（以下、前進角と記す）だけ傾斜させることが望ましい。
【０００４】
ＦＳＷ法における接合線の教示は、例えば、多関節形溶接ロボットと同様に、プローブのピンをロボットの手動操作盤を操作して接合線に沿って移動させながら、複数の点の位置座標を記憶させることで行うことができる（例えば、下記特許文献２参照）。
【０００５】
また、下記特許文献３には、プローブの回転軸を自由に変更する機構を備え、接合部材の法線と接合線の接線方向を検出し、検出した法線方向及び接線方向を用いてプローブの回転軸の傾斜方向を制御することによって、曲面形状物の接合が可能な摩擦攪拌接合装置が開示されている。
【特許文献１】特許第２７１２８３８号明細書
【特許文献２】国際公開第ＷＯ９７／０６４７３号パンフレット
【特許文献３】特開２００２−３０１５８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、加工装置によるワークの製作を終えた後、接合を行うために、ワークを加工装置から取り外して接合装置の載物台に取り付けると、加工装置の座標軸と接合装置の座標軸とが一致していないために、接合線の情報としてワークのＣＡＤデータをそのまま使用することが困難である。従って、通常は、取り付け精度を確保するために、取り付けジグをワーク毎に準備し、かつそのジグを正確に載物台に設置しなければならず、非常に煩雑な作業が必要である。これは、上記特許文献１〜３に開示されている装置でも同様である。
【０００７】
また、上記特許文献２に開示されているように、プローブを実際の接合線に沿わせて教示する方法では、摩擦攪拌接装置のプローブの直径が比較的大きく、ピンが小さい（例えば、プローブの直径が約１２ｍｍ、ピンの直径が約４ｍｍ、その高さが約３ｍｍ）ので、押圧面のために、ピンを接合線に沿わせることが容易ではない。摩擦攪拌接合装置は極めて強力な操作力で運転されるので、構成部品は強靭な素材を用いて形成され、ワークはアルミ、マグネシウムなどの強度が低い素材であるので、プローブを接合線に沿わせての教示中に摩擦攪拌接合装置がワークに接触すると、ワークが損傷を受け、製品歩留まりが低下する問題がある。
【０００８】
また、プローブの回転軸を接合面に対して正確に所定の前進角だけ傾斜させ、これを維持することが望ましいが、視認による接合装置の操作では正確な角度設定が困難である。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決すべく、ワークの接合線の３次元形状を正確に指定することができる摩擦攪拌装置、そのプローブの制御方法、制御プログラム、及び接合体の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【００１１】
即ち、本発明に係る摩擦攪拌接合装置（１）は、プローブと、該プローブの駆動手段と、制御手段とを備えた摩擦攪拌接合装置であって、前記制御手段が、接合対象物の接合線上の複数の測定点の位置ベクトル及び法線ベクトルを用い、補間によって、隣接する２つの前記測定点の間の接合線に対応する補間位置ベクトル、補間接線ベクトル及び補間法線ベクトルを計算し、前記補間位置ベクトル、前記補間接線ベクトル、前記補間法線ベクトル及び所定の前進角を用いて、前記プローブの姿勢を決定する制御データを計算し、該制御データを用いて前記駆動手段を制御して、前記プローブの姿勢を制御することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合装置（２）は、上記の摩擦攪拌接合装置（１）において、前測定点の前記位置ベクトル及び前記法線ベクトルが、前記摩擦攪拌接合装置の第１の座標系と異なる第２の座標系を有する測定手段によって測定されたデータであり、前記制御データが、前記第２の座標系におけるデータであり、前記測定手段が、前記第１の座標系における座標データが既知である、３点以上が同一直線上に並ばないように決定された４点の各々の位置を測定し、前記制御手段が、前記測定手段によって得られた前記４点の位置データ、及び前記４点の既知の前記座標データを用い、前記第２の座標系から前記第１の座標系への座標変換パラメータを求め、前記制御手段が、前記座標変換パラメータを用いて、前記制御データを前記第１の座標系でのデータに変換することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合装置（３）は、上記の摩擦攪拌接合装置（１）又は（２）において、前記補間位置ベクトルが、所定の境界条件で、前記位置ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算され、前記測定点の接線ベクトルが、前記位置ベクトルのスプライン補間の過程で求められ、前記補間接線ベクトルが、所定の境界条件で、前記接線ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算され、前記法線ベクトルが、前記測定点の近傍の、前記測定点を挟む前記接合線上の２点及び前記接合線外の１点により形成される平面に垂直なベクトルであり、前記補間法線ベクトルが、所定の境界条件で、前記法線ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算されることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合装置（４）は、上記の摩擦攪拌接合装置（１）〜（３）の何れかにおいて、前記制御データが、前記プローブの先端の位置を示す前記補間位置ベクトルと、前記補間接線ベクトル及び前記法線ベクトルで形成される平面内の前記補間法線ベクトルから、前記前進角だけ傾斜した方向を示すデータとであることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法（１）は、プローブと、該プローブの駆動手段と、制御手段とを備えた摩擦攪拌接合装置の前記プローブの制御方法であって、前記制御手段が、接合対象物の接合線上の複数の測定点の位置ベクトル及び法線ベクトルを用い、補間によって、隣接する２つの前記測定点の間の接合線に対応する補間位置ベクトル、補間接線ベクトル及び補間法線ベクトルを計算する第１ステップと、前記制御手段が、前記補間位置ベクトル、前記補間接線ベクトル、前記補間法線ベクトル及び所定の前進角を用いて、前記プローブの姿勢を決定する制御データを計算する第２ステップと、前記制御手段が、前記制御データを用いて前記駆動手段を制御して、前記プローブの姿勢を制御する第３ステップとを含むことを特徴としている。
【００１６】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法（２）は、上記の摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法（１）において、前測定点の前記位置ベクトル及び前記法線ベクトルが、前記摩擦攪拌接合装置の第１の座標系と異なる第２の座標系を有する測定手段によって測定されたデータであり、前記制御データが、前記第２の座標系におけるデータであり、前記測定手段が、前記第１の座標系における座標データが既知である、３点以上が同一直線上に並ばないように決定された４点の各々の位置を測定する第４ステップと、前記制御手段が、前記測定手段によって得られた前記４点の位置データ、及び前記４点の既知の前記座標データを用い、前記第２の座標系から前記第１の座標系への座標変換パラメータを求める第５ステップと、前記制御手段が、前記座標変換パラメータを用いて、前記制御データを前記第１の座標系でのデータに変換する第６ステップとをさらに含み、前記第６ステップが、前記第２ステップ及び前記第３ステップの間に実行されることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法（３）は、上記の摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法（１）又は（２）において、前記補間位置ベクトルが、所定の境界条件で、前記位置ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算され、前記測定点の接線ベクトルが、前記位置ベクトルのスプライン補間の過程で求められ、前記補間接線ベクトルが、所定の境界条件で、前記接線ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算され、前記法線ベクトルが、前記測定点の近傍の、前記測定点を挟む前記接合線上の２点及び接合線外の１点により形成される平面に垂直なベクトルであり、前記補間法線ベクトルが、所定の境界条件で、前記法線ベクトルの全てを用いたスプライン補間により計算されることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法（４）は、上記の摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法（１）〜（３）の何れかにおいて、前記制御データが、前記プローブの先端の位置を示す前記補間位置ベクトルと、前記補間接線ベクトル及び前記法線ベクトルで形成される平面内の前記補間法線ベクトルから、前記前進角だけ傾斜した方向を示すデータとであることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明に係る接合体の製造方法は、プローブと、該プローブの駆動手段と、制御手段とを備えた摩擦攪拌接合装置を用いた接合体の製造方法であって、上記の摩擦攪拌接合装置のプローブの制御方法（１）〜（４）の何れかによって前記プローブの姿勢を制御し、接合線に沿って摩擦攪拌接合を行うことを特徴としている。
【００２０】
また、本発明に係る摩擦攪拌接合装置のプローブの制御プログラムは、プローブと、該プローブの駆動手段と、制御手段とを備えた摩擦攪拌接合装置において、前記制御手段に、接合対象物の接合線上の複数の測定点の位置ベクトル及び法線ベクトルを用い、補間によって、隣接する２つの前記測定点の間の接合線に対応する補間位置ベクトル、補間接線ベクトル及び補間法線ベクトルを計算する機能と、前記補間位置ベクトル、前記補間接線ベクトル、前記補間法線ベクトル及び所定の前進角を用いて、前記プローブの姿勢を決定する制御データを計算する機能と、前記制御データを用いて前記駆動手段を制御して、前記プローブの姿勢を制御する機能とを実現させることを特徴としている。
【００２１】
また、上記の摩擦攪拌接合装置のプローブの制御プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録され得る。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、接合対象物の形状に関するデータ（ＣＡＤデータや形状計測データ）が無くても、現物さえあれば接合を行うことが可能な摩擦攪拌接装置を実現することができる。
【００２３】
また、接合対象物の形状毎に、特別な位置決めジグを製作したり、接合対象物を摩擦攪拌接装置に正確に取り付ける作業が不要であり、効率的な接合作業が可能となる。
【００２４】
また、接合線にプローブの先端を沿わせて教示することが不要となり、加工対象物の損傷を防止することが可能となる。
【００２５】
また、プローブの先端を接合線に沿って制御できるだけでなく、所定の前進角で傾斜するようにプローブを制御できるので、より高品質の接合部を形成することができる。
【００２６】
従って、従来熟練者に依存していた摩擦攪拌装置の調整や操作が容易となり、接合作業の自動化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。
【００２８】
図１は、本発明の実施の形態に係る摩擦攪拌接合装置（以下、ＦＳＷ装置と記す）の概略構成を示すブロック図である。図１に示したように、本ＦＳＷ装置は、プローブ１と、プローブ１をその軸の周りに一方向に高速で回転させながら、プローブ１の姿勢、即ちプローブ１の傾斜方向及び先端のピンの位置を変化させる駆動部２と、接合線に沿ってプローブ１のピンが移動するように駆動部２を制御する制御部３と、対象のワークを搭載する載物台４とを備えている。ここで、プローブ１、駆動部２及び載物台４は、同じ座標系で相互に位置が指定される。制御部３は、通常のディジタルの機械制御装置と同様にＣＰＵ、メモリ、記録部（何れも図示せず）など備えている。図１には、載物台４の上に搭載されたワークと、ワークの形状や各部の位置を測定する、ＦＳＷ装置とは別の装置である測定装置５とを示している。制御部３は、測定装置５から、測定した座標データをインタフェース部（図示せず）を介して取得する。また、本ＦＳＷ装置の座標系をＸＹＺとして、測定装置の座標系をＵＶＷとして示しており、これらの座標系は必ずしも一致していない。
【００２９】
図２は、本実施の形態に係るＦＳＷ装置を用いた接合処理を示すフローチャートである。ここでは、特に断らない限り制御部３が行う処理は、内部のＣＰＵが行い、ＣＰＵは、適宜制御部３内部の記録部から必要なデータを内部メモリに読み出し、内部メモリの所定領域をワーク領域として使用し、処理中の一時的結果や最終の処理結果を適宜記録部に記録することとする。また、最初の状態では、載物台４にはワークが搭載されていないとする。
【００３０】
まず、ＦＳＷ装置の座標系と測定装置５の座標系とを整合させる。即ち、これらの座標系の変換パラメータを求める。同一の点の座標が、ＦＳＷ装置の座標系では（ｘ，ｙ，ｚ）であり、測定装置の座標系では（ｕ，ｖ，ｗ）であるとすると、これらの関係は、座標系の並進移動と回転移動を考慮すると、式１のように表される。
【００３１】
【数１】
2006218531.tif 000003
ここで、ａ〜ｉ、ｌ〜ｎは２つの座標系の並進移動及び回転移動で決まるパラメータであり、３行３列の行列Ｍ、及び列ベクトルＬで表す。
【００３２】
従って、これらのパラメータＭ及びＬを決定すれば、測定装置５によって測定した座標データを、ＦＳＷ装置で利用可能なデータに変換することができる。そのために、ステップＳ１において、プローブ１の代わりに直径の比較的小さいドリルをＦＳＷ装置に取り付け、載物台４に、ＦＳＷ装置の座標系ＸＹＺにおいてＸＹ平面に平行に平板を取り付ける。ここでは、平板の表面が点Ａ（０，０，ｚ）を通るように設置したとする。
【００３３】
ステップＳ２において、制御部３が駆動部２を制御して、ＦＳＷ装置の座標系で３点Ａ（０，０，ｚ）、Ｂ（ｘ，０，ｚ）、Ｃ（０，ｙ，ｚ）にドリルによって穴を開ける。
【００３４】
ステップＳ３において、測定装置５によって、原点Ｏ及びステップＳ２で空けた３つの穴の位置座標を測定する。制御部３が、所定のインタフェース（例えば、ＲＳ２３２Ｃ、ＧＰＩＢなど）を介して、測定された位置座標を取得する。制御部３が取得した座標データは、測定装置５の座標系ＵＶＷでのデータである。それらを、（ＯU，ＯV，ＯW）、（ＡU，ＡV，ＡW）、（ＢU，ＢV，ＢW）、（ＣU，ＣV，ＣW）とすると、これらを式１に代入して以下の１２の式が得られる。
【００３５】
即ち、点Ａに関して、
０＝ａＡU＋ｂＡV＋ｃＡW＋ｌ
０＝ｄＡU＋ｅＡV＋ｆＡW＋ｍ
ｚ＝ｇＡU＋ｈＡV＋ｉＡW＋ｎ
点Ｂに関して、
ｘ＝ａＢU＋ｂＢV＋ｃＢW＋ｌ
０＝ｄＢU＋ｅＢV＋ｆＢW＋ｍ
ｚ＝ｇＢU＋ｈＢV＋ｉＢW＋ｎ
点Ｃに関して、
０＝ａＣU＋ｂＣV＋ｃＣW＋ｌ
ｙ＝ｄＣU＋ｅＣV＋ｆＣW＋ｍ
ｚ＝ｇＣU＋ｈＣV＋ｉＣW＋ｎ
原点Ｏに関して、
０＝ａＯU＋ｂＯV＋ｃＯW＋ｌ
０＝ｄＯU＋ｅＯV＋ｆＯW＋ｍ
０＝ｇＯU＋ｈＯV＋ｉＯW＋ｎ
が成り立つ。
【００３６】
ここで、ＦＳＷ装置の原点Ｏは既知であり、例えば、Ｚ＝０を載物台４の表面とし、Ｘ＝Ｙ＝０は、制御部３から駆動部２に対する原点復帰命令によってプローブが復帰する位置であり、上記したように（ＯU，ＯV，ＯW）は、その原点を測定装置５で測定した座標データ、即ち座標系ＵＶＷでの座標データである。
【００３７】
ステップＳ４において、制御部３は、これらの連立方程式を解いて座標変換パラメータＭ及びＬを決定し、記録部に記録する。尚、計測すべき４点は、３点以上が直線上に並ばない限り、上記とは異なる既知座標位置に選ぶことができる。
【００３８】
次に、接合線を決定する処理に移る。ステップＳ５において、平板を取り外し、接合対象のワークを載物台４に搭載し、接合線上のｎ個の測定点Ｐ1〜Ｐnの位置を測定装置５で測定する。測定データは制御部３に伝送され、制御部３は受信した測定データを記録する。一例を、図３に示す。図３は、接合されると半円筒形を形成する２つのワークＡ、Ｂを示す斜視図であり、接合線上に複数の測定点Ｐ1〜Ｐnが存在する。また、測定点Ｐ2における接線ベクトルＴ2を示している。
【００３９】
ステップＳ６において、制御部３は、ステップＳ５で位置を測定したｎ個の測定点Ｐ1〜Ｐnのうち、隣接する２点間を補間して接合線を決定する。ここでは、一例として、ｎ個の点列を３次スプライン曲線で補間する。
【００４０】
２点Ｐi、Ｐi+1の位置べクトルをＰi＝（xi, yi, zi）、Ｐi+1＝（xi+1, yi+1, zi+1）とし（本明細書中、点と位置ベクトルに同じ符号を付す）、それらの点での接線ベクトルをＴi＝（ri, si, ti）、Ｔi+1＝（ri+1, si+1, ti+1）とすると、隣接する２点Ｐi、Ｐi+1の間の曲線Ｐ(ｔ)（ベクトル）は、パラメータｔの３次式を用いて式２で与えられる。
Ｐ(ｔ)＝(2Pi-2Pi+1+Ti+Ti+1)t3＋(3Pi+1-3Pi-2Ti-Ti+1)t2+Tit+Pi    （式２）
ここで、ｔは０≦ｔ≦１であり、式２はベクトルの各成分に関して成立する。
【００４１】
これを、ｎ個の測定点Ｐ1〜Ｐnに対して適用し、自然条件を設定、即ち位置ベクトルＰ(ｔ)の２階導関数が始点及び終点においてゼロであるとすると、式３が得られる。
【００４２】
【数２】
2006218531.tif 000004
測定点Ｐ1〜Ｐnの位置ベクトルＰ1〜Ｐnは測定により得られているので、接線ベクトルＴk（ｋ＝１〜ｎ）について式３を解くことができる。その結果を式２に適用することによって、各区間の補間曲線、即ち補間された位置ベクトルＰ(ｔ)が得られ、これによって接合線全体を表す式が得られる。制御部３は、測定点Ｐ1〜Ｐnの接線ベクトルＴk（ｋ＝１〜ｎ）、及び各区間の補間された位置ベクトルＰ(ｔ)を記録部に記録する。
【００４３】
ステップＳ７において、制御部３は、ステップＳ６で得られたｎ個の測定点Ｐ1〜Ｐnの接線ベクトルＴk（ｋ＝１〜ｎ）を用いて、隣接する２点間の接線ベクトルを、ステップＳ６と同様に補間する。
【００４４】
２点Ｐi、Ｐi+1の接線ベクトルをＴi、Ｔi+1、それら２点における接線ベクトルの変化ベクトルをＳi、Ｓi+1とすると、隣接する２点Ｐi、Ｐi+1の間の接線ベクトルＴ(ｔ)（ベクトル）は、パラメータｔの３次式を用いて式４で与えられる。
Ｔ(ｔ)＝(2Ti-2Ti+1+Si+Si+1)t3＋(3Ti+1-3Ti-2Si-Si+1)t2+Sit+Ti    （式４）
ここで、ｔは０≦ｔ≦１であり、式４はベクトルの各成分に関して成立する。
【００４５】
これを、ｎ個の測定点Ｐ1〜Ｐnに対して適用し、自然条件を設定、即ち、接線ベクトルＴ(ｔ)の２階導関数が始点及び終点においてゼロであるとすると、式５が得られる。
【００４６】
【数３】
2006218531.tif 000005
制御部３は、ステップＳ６において得られた測定点Ｐ1〜Ｐnの接線ベクトルＴ1〜Ｔnを記録部から読み出し、接線ベクトルの変化ベクトルＳk（ｋ＝１〜ｎ）について式５を解く。制御部３は、その結果を式４に適用して、各区間を補間する接線ベクトルＴ(ｔ)を決定し、記録部に記録する。
【００４７】
ステップＳ８において、測定装置５を用いて、ステップＳ５で測定したｎ個の測定点Ｐ1〜Ｐnの各々の近傍でワーク表面上の３つの点の位置を測定し、制御部３は、測定装置５からこれら３点の位置データを取得し、これら３点で決定される平面（接平面）に対する垂線方向を計算し、測定点Ｐkにおける法線ベクトルＮk（ｋ＝１〜ｎ）として記録部に記録する。一例を、図４に示す。図４では、測定点Ｐkの近傍に、測定点Ｐkを挟んで接合線上に２点Ｐk−、Ｐk＋を設定し、接合線の外に１点Ｐk０を設定しており、これら３点によって決まる接平面の法線ベクトルがＮkである。
【００４８】
ステップＳ９において、ステップＳ８で得られたｎ個の測定点Ｐ1〜Ｐnの法線ベクトルＮk（ｋ＝１〜ｎ）を用いて、隣接する２点間の接線ベクトルを、ステップＳ６、Ｓ７と同様に補間によって求める。
【００４９】
２点Ｐi、Ｐi+1の法線ベクトルをＮi、Ｎi+1、それら２点における法線ベクトルの変化ベクトルをＲi、Ｒi+1とすると、隣接する２点Ｐi、Ｐi+1の間の法線ベクトルＮ(ｔ)（ベクトル）は、パラメータｔの３次式を用いて式４で与えられる。
Ｎ(ｔ)＝(2Ni-2Ni+1+Ri+Ri+1)t3＋(3Ni+1-3Ni-2Ri-Ri+1)t2+Rit+Ni    （式６）
ここで、ｔは０≦ｔ≦１であり、式６はベクトルの各成分に関して成立する。
【００５０】
これを、ｎ個の測定点Ｐ1〜Ｐnに対して適用し、自然条件を設定、即ち、法線ベクトルＮ(ｔ)の２階導関数が始点及び終点においてゼロであるとすると、式７が得られる。
【００５１】
【数４】
2006218531.tif 000006
制御部３は、ステップＳ８において記録した測定点Ｐ1〜Ｐnの法線ベクトルＮ1〜Ｎnを記録部から読み出し、法線ベクトルの変化ベクトルＲk（ｋ＝１〜ｎ）について式７を解く。制御部３は、その結果を式６に適用して、各区間を補間する法線ベクトルを決定し、記録部に記録する。
【００５２】
以上、ステップＳ５〜Ｓ９によって、接合線全体に関して、位置ベクトルＰk（ｋ＝１〜ｎ）及びそれらの間を補間する位置ベクトルＰ（ｔ）と、接線ベクトルＴk（ｋ＝１〜ｎ）及びそれらの間を補間する接線ベクトルＴ（ｔ）と、法線ベクトルＮk（ｋ＝１〜ｎ）及びそれらの間を補間する法線ベクトルＮ（ｔ）とが、測定装置５の座標系ＵＶＷで決定された。
【００５３】
ステップＳ１０において、制御部３は、プローブの姿勢制御データ、即ち接合線に沿って移動させるプローブの傾斜方向を計算する。まず制御部３は、予め設定された一定の前進角αと、始点の接線ベクトル及び法線ベクトルとを用いてプローブの傾斜方向を計算する。ここで、プローブの傾斜方向は、接線ベクトル及び法線ベクトルで決定される平面内で、法線ベクトル方向から前進角αだけ傾斜した方向であり、例えば、測定装置の座標系ＵＶＷで、Ｗ軸からの傾斜角度θ及びＵ軸からの回転角度φで指定する（図５参照）。そして、制御部３は、パラメータｔを漸増させながら同様に、前進角αと、接線ベクトルＴ（ｔ）及び法線ベクトルＮ（ｔ）とを用いてプローブ傾斜方向（θ（ｔ），φ（ｔ））を、接合線の終点まで計算する。
【００５４】
ステップＳ１１において、制御部３は、以上で決定された測定装置の座標系ＵＶＷでの姿勢制御データ（位置ベクトル及びプローブ傾斜方向）を、ステップＳ４で決定した変換パラメータＭ及びＬを用い、式１によってＦＳＷ装置の座標系ＸＹＺにおけるデータに変換し、記録部に記録する。
【００５５】
以上のステップＳ１〜Ｓ１１によって制御部３は、ＦＳＷ装置におけるプローブ１の姿勢制御に必要なデータを決定することができた。従って、ステップＳ１２において、制御部３が姿勢制御データを駆動部２に伝送し、駆動部２が直接プローブ１の姿勢を制御し、接合線に沿った摩擦攪拌接合を実行する。
【００５６】
ステップＳ１３において、次の接合対象のワークがあるか否かを判断し、ない場合には終了し、ある場合にはステップＳ１４に移行して、ＦＳＷ装置と測定装置５との相対的な位置変化があったか否かを判断する。相対的な位置変化があった場合、ステップＳ１に戻り、座標変換パラメータの決定から処理を開始し、位置変化がなかった場合、先のステップＳ４で決定した座標変換パラメータＭ及びＬをそのまま使用できるので、ステップＳ５に戻り、載物台４に次のワークを搭載し、プローブの姿勢制御データを求める一連の処理を行う。
【００５７】
このように、２つの座標系の変換パラメータを求める処理は、測定装置がＦＳＷ装置に対して新たに固定された場合などに一度だけ実行すればよく、その後は測定装置とＦＳＷ装置との位置関係が変化しない限り、同じ座標変換パラメータＭ及びＬを使用すればよい。
【００５８】
以上においては、座標変換パラメータを決定するために、平板を載物台に設置してこれに所定の穴を開ける場合を説明したが、これに限定されず、平板表面の所定の点に印をつけて、その印の位置を測定装置で測定してもよい。さらには、平板などの補助手段を使用せずに、プローブのピンを、３点以上が直線上に並ばないように決定された４点に移動させ、それぞれの位置でプローブ先端の位置座標を測定装置で測定してもよい。
【００５９】
また、上記したスプライン補間において、自然条件を設定する場合を説明したが、これに限定されず、固定条件を設定、即ち始点及び終点における１次導関数の値を指定してもよい。
【００６０】
尚、接続対象ワークが平板のときには、ワーク法線方向はＦＳＷ装置の垂直軸に一致するので、図２のステップＳ８及びＳ９を省略してもプローブの進行方向や前進角の設定が可能である。
【００６１】
また、図２に示した処理は、種々変更して行うことが可能である。例えば、ステップＳ５及びステップＳ８において、ステップＳ４で決定した変換パラメータを用いて座標変換を行い、その後の処理をＦＳＷ装置の座標系で行うようにしてもよい。その場合、ステップＳ１１での座標変換は不要である。
【００６２】
また、上記においては、接合線上の複数の測定点をスプライン補間して、接合線全体の形状を決定する場合を説明したが、これに限定されず、接合線を再現できればよく、ＮＵＲＢＳなど種々の補間処理を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態にＦＳＷ装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本実施の形態に係るＦＳＷ装置におけるプローブの姿勢制御のためのデータを求める処理を示すフローチャートである。
【図３】接合線上の測定点及び接線ベクトルを説明する斜視図である。
【図４】接合線上の法線ベクトルの求め方を説明する斜視図である。
【図５】接線ベクトル、法線ベクトル、前進角及びプローブの姿勢の関係を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００６４】
１    プローブ
２    駆動部
３    制御部
４    載物台
５    測定装置
【図１】
2006218531.tif 000007
【図２】
2006218531.tif 000008
【図３】
2006218531.tif 000009
【図４】
2006218531.tif 000010
【図５】
2006218531.tif 000011